I.
Geosynthetische Tondichtungsbahn und Kunststoffdichtungsbahn als doppellagiges Druckwasserabdichtungssystem mit planmäßiger Blockhinterlegung: Ein Drei-Komponenten-Ansatz für hohe Abdichtungsanforderungen

Marc Meissner, Sebastian Schwaiger, Roland Herr

Der "Drei-Komponenten-Ansatz" für hohe Abdichtungsanforderungen ist ein neues Abdichtungssystem insbesondere bei hohen Wasserdrücken. Er wird hier als in der Baupraxis umsetzbare Möglichkeit vorgestellt. Hinter der druckwasserhaltenden, 3 mm dicken Tunnel-Kunststoffdichtungsbahn wird anstelle des üblichen Schutz- und Drainagevlieses als erste Lage eine geosynthetische Tondichtungsbahn (GTD - oder auch Bentonitmatte) eingebaut. Sowohl Laborversuche als auch die Praxisanwendung auf der Tunnelbaustelle zeigen, dass die Verwendung von Bentonitmatten und Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) als doppellagige Druckwasserabdichtung bei gleichzeitiger erweiterter Firstspaltverpressung (planmäßige Blockhinterlegung) eine Erfolg versprechende Alternative zum Doppellagensystem mit KDB und einen neuen Stand der Technik darstellen könnte.

Geosynthetic clay liner and synthetic liner as a double-layer pressurised waterproofing system with planned block backing: a three-component approach for high waterproofing requirements

The "three-component approach" for high waterproofing requirements is a new waterproofing system especially for high water pressures and is presented here as a possibility that can be implemented in construction practice. A geosynthetic clay liner (GTD - or bentonite mat) is installed as the first layer behind the 3 mm thick tunnel sealing membrane that retains water under pressure, instead of the usual protective and drainage fleece. Laboratory tests as well as practical application on the tunnel construction site show that the use of bentonite mats and plastic sealing membranes (PSM) as a double-layer pressurised waterproofing with simultaneous extended ridge gap injection (block backfill) is a promising alternative to the double-layer system with PSM and could represent a new state of the art.

1 Einführung

Neue Tunnelbauwerke führen immer häufiger durch ökologisch sensible Gebiete. Dabei nehmen die Anforderungen zum Schutz des Grundwassers immer weiter zu. Oft wird eine dauernde Bergwasserabsenkung aus ökologischen Gründen nicht genehmigt. In diesen Fällen müssen Tunnelbauwerke gegen drückendes Wasser, das heißt für hohe Wasserdrücke, ausgebildet werden. Mit dem Wasserdruck steigen jedoch auch die Ansprüche an die Tunnelabdichtungssysteme.

Gleichzeitig müssen auf der Baustelle immer komplexere Vorgaben zur Tunnelabdichtung umgesetzt werden. Bei Wasserdrücken über 30 m etwa sind entsprechend objektspezifische Maßnahmen festzulegen [2], wie doppellagige Abdichtungssysteme mit prüfbaren Kammern oder Abdichtungsbahnen mit 4 mm Dicke. Beide Möglichkeiten haben sich als in der Baupraxis schwer umsetzbar erwiesen.

Im vorliegenden Beitrag wird ein neues Abdichtungssystem für hohe Ansprüche, insbesondere bei hohen Wasserdrücken, als in der Baupraxis umsetzbare Möglichkeit vorgestellt: Hinter der druckwasserhaltenden, 3 mm dicken Tunnel-Kunststoffdichtungsbahn (KDB) wird anstelle des üblichen Schutz- und Drainagevlieses als erste Lage eine geosynthetische Tondichtungsbahn (GTD - oder auch Bentonitmatte) eingebaut (Bilder 1 und 2).

Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit dieses Systems ist eine planmäßige Hinterlegung der Innenschale mit Zementsuspension Teil der vorgeschlagenen Lösung, da

1. bei hohen Wasserdrücken eine vollflächige Bettung der KDB gegen die Ortbetoninnenschale erforderlich ist und
2. die Bentonitmatte kraftschlüssig zwischen Spritzbeton (Abdichtungsträger) und KDB eingespannt sein muss, um die Abdichtungsfunktion in vollem Umfang erfüllen zu können.

Bild 1. Einsatz des Abdichtungssystems mit drei Komponenten: geosynthetische Tondichtungsbahn (Bentonitmatte), Kunststoffdichtungsbahn, Blockhinterlegung und Betoninnenschale

Bild 2. Bei hohen Wasserdrücken ist das neue Mehrkomponentensystem eine sichere und in der Baupraxis umsetzbare Maßnahme.

2 Abdichtungssysteme im Tunnelbau

Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen druckdichten und druckentlasteten Abdichtungssystemen. Letztere werden seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt und daher in diesem Beitrag nicht weiter behandelt.

Bei druckwasserhaltenden Systemen treten in der Praxis immer wieder Undichtigkeiten und Schäden auf, die nur sehr aufwendig zu sanieren sind. Oft ist die Sanierung auch nicht dauerhaft. Der Bauherr bekommt ein "repariertes Bauwerk". Das Hauptaugenmerk der nachfolgenden Ausführungen liegt daher auf der Vermeidung von Schäden und nicht auf der Sanierung.

Das gebräuchlichste Verfahren zur Druckwasserabdichtung mit Kunststoffdichtungsbahnen gegen hohe Wasserdrücke im bergmännischen Tunnelbau ist, eine rundum dicht verschweißte KDB mit einer Innenschale aus Ortbeton herzustellen. Doch treten bei vielen ausgeführten Bauvorhaben Undichtigkeiten auf, die zahlreiche Ursachen haben können. Dabei sind die Ursachen zu unterscheiden in jene, die in einer mangelhaften Bauausführung zu suchen sind, und in solche, die systembedingt sind.

Folgende Undichtigkeiten sind der Bauausführung zuzurechnen [5]:

• - Verletzungen der KDB beim Einbau der Bewehrung
• - Beschädigungen bei der Schalwagenpositionierung
• - Beschädigungen während des Betoneinbaus
• - nicht fachgerechter Einbau des KDB-Systems, undichte Schweißnähte, Zerrungen bei Querschnittsübergängen usw.

Bei großen Wasserdrücken kann es darüber hinaus zu systembedingten Beschädigungen der KDB kommen [5]:

• - Große Wasserdrücke erfordern statisch große Innenschalendicken. Die Verdichtung des Betons erfolgt meist mit Schalungsrüttlern. Häufig weist die Außenseite der Innenschale Lunker oder Fehlstellen auf. Diese entstehen einerseits durch unzureichende Verdichtung mit Schalungsrüttlern infolge großer Innenschalendicken und durch hohe Bewehrungsgehalte, die ein fachgerechtes und vollständiges Betonieren sowie Verdichten erschweren, sowie andererseits aus Luftblasen, die an der KDB nicht entweichen können und deshalb teilweise mehrere Zentimeter große Lunker erzeugen.
• - Im Endzustand wirkt der Wasserdruck von außen. Eine Beschädigung der KDB kann dann nicht ausgeschlossen werden bzw. ist sogar wahrscheinlich.

Als geeignetes Mittel zur Vermeidung dieser "systembedingten" Schäden hat sich in vielen Projekten die Verpressung des Spalts zwischen KDB und Ortbetoninnenschale mit Zementsuspension, die sogenannte erweiterte Firstspaltverpressung oder planmäßige Blockhinterlegung, bewährt. Darüber hinaus kann diese Verpressung, die noch bei abgesenktem Bergwasserspiegel erfolgt, auch kleine ausführungsbedingte Schäden "reparieren". Kleine Fehlstellen der KDB werden dabei mit der Zementsuspension verschlossen und so weit abgedichtet, dass die Undichtigkeiten praktisch nicht mehr vorhanden sind.

Grundsätzlich kommen für die sichere Abdichtung eines Tunnels langzeitbeständige Kunststoffdichtungsbahnen aus weichmacherfreien Polyolefinen oder weichmacherhaltigem Polyvinylchlorid (PVC-P) zum Einsatz. Um eine Auswanderung oder Ausspülung des Weichmachers zu vermeiden, sollte eine sorgfältige Prüfung des Abdichtungsmaterials im Hinblick auf die Langzeitbeständigkeit und die Unbedenklichkeit des Materials bezüglich der Umwelt durchgeführt werden.

2.1 Schichtenaufbau mit KDB

Die Schichten des Abdichtungssystems (von der Berg- zur Innenseite) sind gemäß ZTV-ING grundsätzlich aufgebaut wie in Bild 3 dargestellt.

Bild 3. Abdichtungssystem mit Kunststoffdichtungsbahn

2.1.1 Abdichtungsträger

Mit einer ca. 4 bis 5 cm dicken Lage aus feinkörnigem, im Idealfall aus Rundkorn hergestellten Spritzbeton werden grobe Unebenheiten in der Spritzbetonschale ausgeglichen, Stahlteile wie Ankerköpfe eingespritzt und Löcher verschlossen. Ebenso werden Abschlauchungen aus dem Vortrieb mit dieser Lage eingespritzt. So wird eine ausreichend ebene Spritzbetonoberfläche erzeugt, die gewährleistet, dass das Abdichtungssystem während des Betoniervorgangs nicht beschädigt wird.

2.1.2 Bergseitiges Schutzgeotextil

Da während des Betonierens der Innenschale die Kunststoffdichtungsbahn gegen den Abdichtungsträger aus Spritzbeton (1. Schicht) gedrückt wird, ist an dieser Stelle ein Schutz notwendig. Als bergseitiges Schutzgeotextil (2. Schicht) wird ein mechanisch verfestigter Vliesstoff mit einem Flächengewicht von mindestens 900 g/m2 verwendet.

2.1.3 Befestigungssystem

Das Befestigungssystem dient neben der Fixierung des bergseitigen Schutzgeotextils der temporären Fixierung des Abdichtungssystems an der Spritzbetonaußenschale und darf die KDB nicht beschädigen. Während der Betonage der...